含水率对砂质板岩粗粒土蠕变特性影响试验研究

刘　群　刘　丽

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵州　550081)

含水率对砂质板岩粗粒土蠕变特性影响试验研究

刘群刘丽

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵州550081)

摘要粗粒土在公路、铁路路基工程中应用广泛，其蠕变特性是影响高填方路堤长期沉降的重要因素。通过单轴压缩蠕变试验研究含水率对粗粒土蠕变的影响规律，分析砂质板岩粗粒土在不同含水状态下的蠕变特性，并基于与实验结果相符的H-K蠕变模型探讨含水率、应力与蠕变参数之间的关系。结果表明，含水率是影响粗粒土蠕变特性的重要因素，提出使用干燥或饱和含水态的粗粒土填料以控制路堤长期沉降。

关键词含水率粗粒土单轴试验蠕变特性

随着我国交通设施的快速发展，铁路建设不断向山区延伸，受地形条件限制，大量高填方路堤不断涌现。粗颗粒土具有压实性能好、抗剪强度高等特点，在山区铁路建设中得到了广泛应用。粗粒土高填路堤的蠕变变形是众多因素综合作用的结果，包括土的类别、含水率、填土高度等。过去对蠕变影响因素的研究多集中在岩石[1]、软土[2-3]、黄土[4]、膨胀土[5]等，而涉及粗粒土的研究较少。基于前人的研究基础，通过大型单轴蠕变试验，以含水率为控制指标，研究沪昆客运专线砂质板岩粗粒土填料的蠕变特性。

1单轴蠕变试验及试验结果分析

砂质板岩粗粒土的干密度为2.10g/cm3，颗粒密度为2.70 g/cm3，人工配制4组含水率分别为0.07%，1.29%，4.86%，8.12%的试样，对应干燥、天然、非饱和、饱和含水状态，颗粒级配情况见图1，可知粗粒土级配良好。

图1　砂质板岩粗粒土级配曲线

选取直径280mm×230mm的单轴固结仪，采用50→100→200→400→800kPa的分级加载方式进行蠕变试验，试验结果见图2。

根据粗颗粒填料的干密度与含水率关系曲线有2个峰值的特点，施工中当填料为干燥状态(含水率接近0)、干密度较大时，不需加水；当填料处于潮湿状态时，需加水改变含水率接近谷点的不利状态，增加压实效果。

3结语

本文根据现有试验规范和国内外学者的研究成果，对高速铁路高填路基无黏性粗颗粒填料进行了筛分试验和振动击实试验研究，试验结果表明：

(1) 砂质板岩无黏性粗颗粒填料是级配良好的填料，振动击实试验曲线呈波浪形，即随含水率的增大，干密度先减小后增大，曲线出现双峰值现象。

(2) 砂质板岩无黏性粗颗粒填料在干燥状态或饱和含水状态时干密度较大，最大干密度为2.21g/cm3。

(3) 建议在实际工程中当砂质板岩无黏性粗颗粒填料为干燥状态时，碾压填料不需或少量洒水；当填料处于潮湿状态时，需加水改变含水率接近谷点的不利状态，以此增加压实效果。

参考文献

[1]陈宏伟.粗粒土压实试验研究[D].西安：长安大学，2004.

[2]TB10102-2010铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[3]郭庆国.无黏聚性粗粒土的压实特性与压实参数[J].大坝观测与土工测试，1984(1):41-49.

[4]郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社，1998.

a)试验曲线-模型曲线Db)试验曲线-模型曲线N

c)试验曲线-模型曲线Ud)试验曲线-模型曲线S

D-干燥态;N-天然态;U-非饱和态;S-饱和态

图2砂质板岩粗粒土试验曲线与模型曲线对比图

利用H-K模型描述粗粒土的蠕变性，一维常应力σ0作用下其蠕变方程为

(1)

式中：ε0为瞬时弹性变形；ε1为极限蠕变变形；E1为弹性模量；E2为黏弹性模量；β为黏性系数。

利用改进的高斯-牛顿法，编制计算机程序Creep，求解H-K模型参数，计算结果见表1，图2中H-K模型蠕变曲线与实验测试点达到了很高的拟合精度，所得参数说明了不同含水状态下泥质板岩粗粒土的蠕变性态变化。

表1　H-K蠕变模型参数值

2不同含水状态下粗粒土蠕变特性分析

2.1瞬时弹性应变ε0和瞬时弹性模量E1

图3为瞬时弹性应变与含水率关系曲线。

图3　瞬时弹性应变与含水率关系曲线

由表1、图3可见，随含水率增大，瞬时弹性模量有增大的趋势，瞬时弹性应变有减小的趋势，这是因为考虑含水率的蠕变与粗、细颗粒间的孔隙压缩及孔隙水压力等有关。当含水率较低时，孔隙中空气比率相对较大，孔隙压缩没有受到太大的阻碍，产生较大的瞬时弹性应变；当含水率较大时，由于水的压缩系数远远低于空气且对于瞬时变形孔隙水来不及扩散，产生孔隙水压力，孔隙压缩受到阻碍，瞬时弹性变形较小；非软弱泥质板岩粗颗粒骨架的弹性模量随含水率的增加而降低的幅度并不大，当含水率达到一定程度后，孔隙水压力使弹性模量有较大的回弹，出现随含水率增大瞬时弹性模量发生较小幅度增大的现象。

2.2极限蠕变应变ε1和极限蠕变变形模量E2

图4形象地反映了同一应力水平下随含水率增大，极限蠕变应变ε1呈“先增加后减小”的变化规律，而极限蠕变变形模量E2先减小后增大(见表1)，这说明粗粒土的蠕变受到含水率较明显的影响。原因是当含水率很小时，可以认为粗粒土由固-气二相组成，瞬时加载产生较大的变形，细颗粒良好地填充粗颗粒骨架，孔隙压缩更密实，变形模量较大；随含水率增大，加载产生的孔隙水压力随时间的延长、水四处扩散而消减，水四处扩散驱赶空气，产生新的孔隙，阻碍细颗粒填充粗颗粒骨架，水慢慢被粗、细颗粒吸收，细颗粒填充新的粗颗粒骨架，使之密实，并将部分水赶入骨架外的孔隙，在这不断循环密实的过程中土体承载能力和弹性模量有所降低；当含水率增大到饱和时，土体看作是固-液二相，土颗粒间的孔隙充斥着水，加载产生孔隙水压力，使变形模量回弹。

图4　极限蠕变应变与含水率的关系曲线

由图4可见，天然、非饱和含水态的极限蠕变应变明显大于干燥、饱和含水态，建议使用干燥或饱和含水态的泥质板岩粗粒土填料来减小路堤长期沉降。

2.3趋稳时间常数α

趋稳时间常数α=E1/β，由式(1)可知，α越大，exp(-αt)衰减越快，ε达到稳定的时间越短，反映了蠕变达到稳定阶段的快慢程度。图5描述了不同含水状态下试样在不同应力水平作用下的趋稳时间常数α值。

图5　趋稳时间常数与含水率的关系曲线

由图5可见，同一应力水平下随含水率的增加，趋稳时间常数α值先是减小，当含水率达到一定程度后反而增加。这说明同应力水平下，与干燥、饱和态相比，天然、非饱和含水状态的粗粒土进入稳定蠕变所需的时间较长。

2.4蠕变的非线性

由表1可见，粗粒土试样随着加载应力的不同及含水状态的改变，蠕变参数E1，E2，β值发生很大的变化，说明E1，E2，β是应力σ0和含水率ω的函数，则有

(2)

式中：蠕变柔量J是应力和含水率的函数，说明粗粒土具有非线性蠕变特性。

3结论

(1) 随含水率的增加，砂质板岩粗粒土的瞬时弹性应变ε0减小，瞬时弹性模量E1增大。

(2) 随含水率的增加，砂质板岩粗粒土的极限蠕变应变ε1先增大后减小，即同等其他条件下相比天然、非饱和态，干燥、饱和态的粗粒土发生极限蠕变较小；极限蠕变变形模量E2和趋稳时间常数α呈相反规律，即天然、非饱和态的粗粒土达到稳定蠕变所需的时间较长。

(3) 为了减小路堤长期沉降，建议采用干燥或饱和含水状态的砂质板岩粗粒土填料。

[1]杨彩红，王永岩，李剑光，等.含水率对岩石蠕变规律影响的试验研究[J].煤炭学报，2007，32(7)：695-699.

[2]胡华.含水率对软土流变参数的影响特性及其机理分析[J].岩土工程技术，2005，19(3)：134-136.

[3]陈晓平，周秋娟，朱鸿鹄，等.软土蠕变固结特性研究[J].岩土力学，2007(28S)：1-10.

[4]李广冬.黄土的三轴蠕变特性试验研究[D].西安：西北农林科技大学，2011.

[5]邱平华.膨胀土直剪蠕变特性及长期强度研究[D].株洲：湖南工业大学，2012.

收稿日期：2014-09-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.046